長(zhǎng)期以來(lái)，繼電保護(hù)測(cè)試技術(shù)都是繼電保護(hù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。文獻(xiàn)[1-5]提出了新的繼電保護(hù)自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)；文獻(xiàn)[6-9]設(shè)計(jì)了新的繼電保護(hù)測(cè)試方案和自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試技術(shù)的不斷進(jìn)步促進(jìn)了繼電保護(hù)裝置產(chǎn)品質(zhì)量的持續(xù)提高，同時(shí)也提高了整機(jī)測(cè)試效率[10]。而繼電保護(hù)裝置是否帶操作回路功能，其整機(jī)測(cè)試內(nèi)容有所不同。不帶操作回路的繼電保護(hù)裝置只要對(duì)裝置輸入故障模擬量，將測(cè)試儀的開(kāi)入、開(kāi)出與保護(hù)裝置的開(kāi)出、開(kāi)入形成閉環(huán)，即可對(duì)保護(hù)裝置的接點(diǎn)進(jìn)行保障性測(cè)試驗(yàn)證；而帶操作回路的繼電保護(hù)裝置需斷路器配合才能測(cè)試，但通常都用模擬斷路器裝置來(lái)代替真實(shí)的斷路器。不過(guò)，對(duì)于大批量繼電保護(hù)裝置工廠(chǎng)化測(cè)試而言，由于繼電保護(hù)測(cè)試儀和模擬斷路器無(wú)法通信，測(cè)試儀不能自動(dòng)控制模擬斷路器來(lái)配合保護(hù)裝置功能接點(diǎn)測(cè)試，保護(hù)裝置要分兩部分獨(dú)立測(cè)試，測(cè)試效率十分低下。
文獻(xiàn)[11]對(duì)繼電保護(hù)裝置操作回路從單板測(cè)試的角度進(jìn)行了闡述；文獻(xiàn)[12-15]論述了獨(dú)立式斷路器模擬裝置的設(shè)計(jì)方法；文獻(xiàn)[16]設(shè)計(jì)了斷路器回路電阻測(cè)試系統(tǒng)；文獻(xiàn)[17]論述了帶跳閘回路監(jiān)視的斷路器操作回路設(shè)計(jì)方法。以上文獻(xiàn)對(duì)斷路器的原理或者模擬斷路器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，但對(duì)繼電保護(hù)測(cè)試儀嵌入式模擬斷路器的研發(fā)與應(yīng)用沒(méi)有進(jìn)行深入討論，而對(duì)帶操作回路繼電保護(hù)裝置的測(cè)試，使用嵌入式模擬斷路器進(jìn)行整機(jī)測(cè)試，能夠?qū)蓚€(gè)獨(dú)立的測(cè)試過(guò)程合二為一，實(shí)現(xiàn)測(cè)試流程的自動(dòng)化。
嵌入式模擬斷路器是將常規(guī)模擬斷路器整合到繼電保護(hù)測(cè)試儀中的一種設(shè)計(jì)新方案，本文所提方案充分利用當(dāng)前集成電路的優(yōu)越性能，根據(jù)模擬斷路器的原理進(jìn)行模塊化、小型化并與繼電保護(hù)測(cè)試儀進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。嵌入式模擬斷路器能夠接收整機(jī)測(cè)試儀的命令，實(shí)現(xiàn)雙向通信；具有造價(jià)低、功耗小、工作可靠和抗干抗性好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又能根據(jù)繼電保護(hù)裝置的測(cè)試需求靈活選配功能板卡數(shù)量，做到測(cè)試有的放矢，從而有效提高繼電保護(hù)裝置的整機(jī)測(cè)試效率。
1 測(cè)試需求分析
圖 1 是典型的低壓保護(hù)操作回路原理圖，通常具備以下幾個(gè)入口接點(diǎn)：保護(hù)合閘入口，保護(hù)跳閘入口，永跳入口，手動(dòng)合閘入口和手動(dòng)跳閘入口，有時(shí)還會(huì)衍生出遙控跳閘、合閘入口。對(duì)帶有操作回路功能繼電保護(hù)裝置的測(cè)試，不外乎以上幾個(gè)入口功能的測(cè)試及其相應(yīng)位置出口測(cè)試。嵌入式模擬斷路器的功能在滿(mǎn)足繼電保護(hù)裝置跳合閘功率要求外，還應(yīng)能與繼電保護(hù)測(cè)試儀進(jìn)行內(nèi)部通信，接收測(cè)試儀命令，強(qiáng)制裝置在上電的時(shí)候，處于合閘位置或跳閘位置，及跳閘合閘信息反饋給測(cè)試儀主控CPU 板卡。
繼電保護(hù)裝置整機(jī)檢測(cè)的關(guān)注點(diǎn)在于保護(hù)裝置各功能板卡的一致性檢測(cè)，各功能板卡在做完單板功能檢測(cè)后，主要進(jìn)行和機(jī)箱背板連接情況及保護(hù)裝置整體檢測(cè)。圖 1 中操作回路板卡檢測(cè)主要關(guān)注繼電保護(hù)裝置的跳閘、重合閘等硬件邏輯檢測(cè)。例如：變壓器非電量保護(hù)裝置具有高、中、低三個(gè)或四個(gè)操作回路，而對(duì)這類(lèi)保護(hù)裝置測(cè)試就同時(shí)需要三到四個(gè)斷路器，如進(jìn)行實(shí)際斷路器接入測(cè)試，困難重重。但基于模塊化的嵌入式模擬斷路器則能解決這一難題。
圖 1 中 220 V 操作電源 HWJ 和 TWJ 繼電器內(nèi)阻的取值一般在 10 K 到 25 K 之間，110 V 操作電源 HWJ 和 TWJ 繼電器內(nèi)阻取值一般在 4 K 到20 K 之間；常規(guī)操作回路板卡各項(xiàng)性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。因此，對(duì)測(cè)試?yán)^電保護(hù)裝置操作回路功能的模擬短路器關(guān)鍵元器件的選型要充分考慮以上數(shù)據(jù)。
2 嵌入式模擬斷路器設(shè)計(jì)
斷路器相當(dāng)于一個(gè)雙位置開(kāi)關(guān)，其合閘延時(shí)和跳閘延時(shí)可以有微處理器進(jìn)行控制,跳閘線(xiàn)圈和合閘線(xiàn)圈也可以用大容量電阻進(jìn)行模擬[12-13]，在繼電保護(hù)裝置完成跳閘和合閘后，模擬電阻的電流會(huì)被控制開(kāi)關(guān)切斷。嵌入式模擬斷路器板卡需滿(mǎn)足以下兩點(diǎn)基本要求：1. 模擬斷路器板卡與測(cè)試儀主控CPU 板卡進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通。由于繼電保護(hù)測(cè)試儀的開(kāi)入板、開(kāi)出板、模擬量輸出板等均采用背板 CAN 總線(xiàn)與測(cè)試儀的 CPU 板進(jìn)行通信，模擬斷路器同樣采樣 CAN 通信方式。2.模擬斷路器需同時(shí)滿(mǎn)足 220V 和 110V 操作回路的整機(jī)測(cè)試需求。
2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
嵌入式模擬斷路器是以 ARM 微處理器為核心，IGBT 絕緣柵雙極晶體管 IRG4BC20S、場(chǎng)效應(yīng)管BSS123LT1G、電阻、穩(wěn)壓二極管、各種光耦等元器件構(gòu)成的檢測(cè)與控制電路。
系統(tǒng)主控制器采用支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤并帶有高速 Flash 存儲(chǔ)器的 32 位 ARM 芯片 LPC2119，其 128 位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32 位代碼能夠在*大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。圖 2 中，TQ1_CHECK 是檢測(cè)裝置跳閘輸入信號(hào)，TZ1 是跳位控制信號(hào)，可將裝置置跳位；PWN_ON 是電源負(fù)控制信號(hào)，用于控制電源；HQ_CHECK 是檢測(cè)裝置合閘輸入信號(hào)，HZ 是裝置合位控制信號(hào)，可將裝置置合位。CANRX 和 CANTX 與繼電保護(hù)測(cè)試儀進(jìn)行通信，傳輸測(cè)試數(shù)據(jù)。
2.2 核心電路設(shè)計(jì)
根據(jù)繼電保護(hù)裝置整機(jī)測(cè)試需求分析，嵌入式模擬斷路器需有以下三部分子電路組成：斷路器跳閘線(xiàn)圈和合閘線(xiàn)圈模擬電路；跳位、合位控制電路；跳位、合位信號(hào)檢測(cè)電路，核心電路設(shè)計(jì)見(jiàn)圖 3。其中，用于切斷跳合閘回路的開(kāi)關(guān)，選擇 IGBT 絕緣柵 雙 極 晶 體 管 IRG4BC20S。 該 電 路 充 分 利 用
IRG4BC20S 快速開(kāi)關(guān)特性，將集電極和發(fā)射集接到回路上，通過(guò)柵極來(lái)控制回路的導(dǎo)通與斷開(kāi)特性。IRG4BC20S 集電極-發(fā)射極擊穿電壓 600 V，*大承受 19 A 的電流，可以同時(shí)滿(mǎn)足低壓保護(hù)和高壓保護(hù)操作回路的模擬測(cè)試，當(dāng) UGE<=0 時(shí)，IGBT呈關(guān)斷狀態(tài)；當(dāng) UCE<0 時(shí)，IGBT 呈反向阻斷狀態(tài)；當(dāng) UCE>0&VGE>Vth 時(shí)，集電極和發(fā)射集導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng) UCE>0 且 UCE<Uth 時(shí)，IGBT 呈正向阻斷狀態(tài)。通過(guò) CPU 控制 UCE 之間的電壓方向，達(dá)到接通回路與斷開(kāi)回路的目的。
2.3 電源控制保護(hù)電路
嵌入式模擬斷路器在使用過(guò)程中，有模擬斷路器和繼電保護(hù)裝置的操作回路板卡形成跳合閘回路。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，保護(hù)裝置的電源負(fù)和操作回路電源負(fù)短接，并有模擬斷路器來(lái)控制，當(dāng)操作過(guò)程中，跳閘或合閘回路中的任何一個(gè)回路沒(méi)有斷開(kāi)的時(shí)間超過(guò)*大設(shè)定斷開(kāi)時(shí)間后，系統(tǒng)有電源控制回路自動(dòng)斷開(kāi)測(cè)試電源 220 V-，起到保護(hù)模擬斷路器和繼電保護(hù)裝置的作用。
圖 4 為電源控制電路圖，其中 PWN_ON 置高電平時(shí)，繼電器接點(diǎn)導(dǎo)通，裝置上電。PWN_ON 置低電平時(shí)，繼電器接點(diǎn)斷開(kāi)，裝置斷電。圖中選擇繼電器開(kāi)關(guān)電壓為 250V DC，開(kāi)關(guān)電流 8 A，滿(mǎn)足對(duì)常規(guī)繼電保護(hù)裝置電源的控制要求。
2.4 系統(tǒng)軟件流程
嵌入式模擬斷路器根據(jù)測(cè)試儀主控 CPU 板卡發(fā)來(lái)的指令，完成裝置跳位、合位的設(shè)置。系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)繼電保護(hù)裝置的跳閘和合閘信號(hào)來(lái)切斷電源，起到保護(hù)測(cè)試儀器和保護(hù)繼電保護(hù)裝置的雙重作用。具體流程見(jiàn)圖 5。
3 系統(tǒng)應(yīng)用分析
基于嵌入式理念設(shè)計(jì)的模擬斷路器模塊作為繼電保護(hù)測(cè)試儀的一個(gè)重要功能插件，實(shí)現(xiàn)了按照測(cè)試需求進(jìn)行靈活選配，提高了繼電保護(hù)裝置的整機(jī)測(cè)試效率，尤其是像變壓器非電量保護(hù)裝置這種具備多個(gè)操作回路裝置的整機(jī)測(cè)試效率。帶單個(gè)操作回路的保護(hù)裝置整機(jī)測(cè)試連線(xiàn)見(jiàn)圖 6。其中，在保護(hù)裝置側(cè)，TWJ-和合閘線(xiàn)圈兩個(gè)接點(diǎn)短接并與測(cè)試儀的 HQ 接點(diǎn)連接；HWJ-和跳閘線(xiàn)圈兩個(gè)接點(diǎn)短接并與測(cè)試儀的 TQ 接點(diǎn)連接。操作回路的控制電源負(fù)與裝置電源負(fù)短接并與測(cè)試儀模擬斷路器板卡上的電源 OUT-連接；保護(hù)裝置操作回路上的控制電源正與裝置電源正同時(shí)接220 V 正或 110 V 正，實(shí)現(xiàn)整個(gè)電源有模擬斷路器板卡的靈活控制。
帶多個(gè)操作回路板卡的保護(hù)裝置整機(jī)測(cè)試僅需在測(cè)試儀側(cè)增加相應(yīng)數(shù)量模擬斷路器功能板卡，實(shí)現(xiàn)與保護(hù)裝置操作回路板卡一對(duì)一連接即可，見(jiàn)圖 7。多個(gè)操作回路板卡的控制電源負(fù)僅有一個(gè)模擬斷路器板卡的接點(diǎn)控制，保護(hù)裝置操作回路上的控制電源正與裝置電源正同時(shí)接 220 V 正或110 V 正，多個(gè)模擬斷路器板卡上的電源 IN 負(fù)，裝置電源負(fù)與電源 220 V 負(fù)或 110 V 負(fù)連接。
下面結(jié)合圖 1、圖 3、圖 6、圖 7，綜合分析下裝置跳合位動(dòng)作情況。裝置上電置合位過(guò)程：裝置跳位指示燈滅，合位指示燈亮。在圖 3 中，TZ1 置高電
平，HZ 置低電平。在跳閘檢測(cè)回路中，TZ1 高電平，N 溝道場(chǎng)效應(yīng)管 V4 漏源集導(dǎo)通，光耦 U7 的 1、2管腳在正向電壓驅(qū)動(dòng)下，U7 的 6、8 引腳輸出正電壓，加在 U3 絕緣柵雙極晶體管 IGBT 的柵極和發(fā)射集兩端，U3 的集電極和發(fā)射集導(dǎo)通。圖 1 中裝置合位指示燈、HWJ 線(xiàn)圈、和圖 3 中模擬斷路器跳閘線(xiàn)圈的 R9-R12 導(dǎo)通，裝置合位指示燈亮。由于控制回路電壓大部分加在 HWJ 上，加在 R9-R12 上的電壓不足以讓光耦 U11 動(dòng)作，因此 TQ1_CHECK
沒(méi)有發(fā)生改變。相反，HZ 置低電平，場(chǎng)效應(yīng)管 V2關(guān)閉，導(dǎo)致光耦 U6 不能輸出，因此 U1 集電極和發(fā)射集關(guān)閉，圖 1 中裝置跳位指示燈，TWJ 線(xiàn)圈和圖
3 模擬斷路器合閘線(xiàn)圈的 R1-R4 斷開(kāi)，沒(méi)有形成通路，裝置跳位指示燈滅。裝置跳閘跟蹤分析：圖 1 中保護(hù)跳閘接點(diǎn) 02與控制電源正導(dǎo)通，由于裝置處于合位，圖 1 中防跳繼電器 TBJ 線(xiàn)圈，及 06、05 接點(diǎn)，圖 3 中的 U3絕緣柵雙極晶體管及電阻 R9-R12 形成回路，處于導(dǎo)通狀態(tài)，防跳繼電器 TBJ 勵(lì)磁動(dòng)作，TBJ 常開(kāi)接點(diǎn)閉合。此時(shí)加在模擬跳閘線(xiàn)圈的 4 個(gè)電阻 R9-R12 上的電壓加大，致使光耦 U11 的 1、2 引腳帶正向電壓，U11 導(dǎo)通，系統(tǒng)檢測(cè)TQ1_CHECK 變位為1，裝置發(fā)生了跳閘。此時(shí)裝置合位指示燈亮，裝置跳位指示燈滅，系統(tǒng)需要將裝置合位指示燈所在回路斷開(kāi)，跳位指示燈所在回路接通。圖 3 中的 TZ1置低電平，U3 絕緣柵雙極晶體管 IGBT 關(guān)閉，裝置合位指示燈滅。圖 3 中的 HZ 置高電平，U1 絕緣柵雙極晶體管 IGBT 導(dǎo)通，圖 1 中跳位指示燈，TWJ線(xiàn)圈和圖 3 中模擬斷路器合閘線(xiàn)圈的 R1-R4 回路導(dǎo)通，裝置跳位指示燈亮。
裝置合閘過(guò)程分析：圖 1 中保護(hù)合閘接點(diǎn) 09與控制電源正導(dǎo)通，由于裝置處于跳位，圖 1 中合閘保持繼電器 HBJ 線(xiàn)圈，及 07、08 接點(diǎn)，圖 3 中的U1 絕緣柵雙極晶體管及電阻 R1-R4 形成回路，處于導(dǎo)通狀態(tài)，合閘保持繼電器 HBJ 勵(lì)磁動(dòng)作，HBJ常開(kāi)接點(diǎn)閉合。此時(shí)加在模擬跳閘線(xiàn)圈的 4 個(gè)電阻R1-R4 上的電壓加大，致使光耦 U9 的 1、2 引腳帶正向電壓，U9 導(dǎo)通，系統(tǒng)檢測(cè) HQ_CHECK 變位為1，判斷裝置發(fā)生了合閘。此時(shí)裝置跳位指示燈亮，裝置合位指示燈滅，系統(tǒng)需要將裝置合位指示燈所在回路接通，跳位指示燈所在回路斷開(kāi)。圖 3 中的HZ 置低電平，U3 絕緣柵雙極晶體管 IGBT 斷開(kāi)，圖1 中跳位指示燈，TWJ 線(xiàn)圈和圖 3 中模擬斷路器合閘線(xiàn)圈的 R1-R4 回路斷開(kāi)，裝置跳位指示燈滅。圖3 中的 TZ1 置高電平，U1 絕緣柵雙極晶體管 IGBT導(dǎo)通，圖 1 中裝置合位指示燈、HWJ 線(xiàn)圈、和圖 3中模擬斷路器跳閘線(xiàn)圈的 R9-R12 形成回路導(dǎo)通，裝置合位指示燈亮。
通過(guò)對(duì)裝置上電置位，跳閘過(guò)程跟蹤，合閘過(guò)程跟蹤分析，可以看出所設(shè)計(jì)嵌入式模擬斷路器能夠正確地與裝置的操作回路板卡進(jìn)行配合，實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)裝置包含操作回路功能在內(nèi)的各項(xiàng)功能全自動(dòng)測(cè)試。測(cè)試儀按照需求進(jìn)行配置嵌入式模擬斷路器板卡，有效改變了以往測(cè)試帶操作回路保護(hù)裝置的整體測(cè)試環(huán)境和測(cè)試效果，整個(gè)測(cè)試環(huán)境變得更加簡(jiǎn)潔、緊湊，測(cè)試更加高效。嵌入式模擬斷路器板卡的研制使保護(hù)裝置操作回路板卡輸入接點(diǎn)測(cè)試范圍更廣更全；對(duì)于操作回路板卡上的空節(jié)點(diǎn)輸出，如控制回路斷線(xiàn)，跳閘位置，合閘位置，手跳信號(hào)，事故總等節(jié)點(diǎn)也都能在邏輯測(cè)試過(guò)程中進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試，使整機(jī)測(cè)試效率提高 50%以上，改進(jìn)前后，測(cè)試效果對(duì)比見(jiàn)圖 8。
5 結(jié) 論
提出了基于繼電保護(hù)測(cè)試儀側(cè)一體化嵌入式模擬斷路器設(shè)計(jì)新方法。硬件設(shè)計(jì)上，將模擬斷路器設(shè)計(jì)成獨(dú)立功能模塊板卡，根據(jù)測(cè)試需求靈活配置；軟件設(shè)計(jì)上，ARM 微處理可以按測(cè)試儀的指令進(jìn)行裝置位置指定，滿(mǎn)足了繼電保護(hù)裝置各項(xiàng)功能測(cè)試需求。提出的方案將兩個(gè)原本獨(dú)立的測(cè)試過(guò)程銜接起來(lái)，使保護(hù)裝置整機(jī)測(cè)試自動(dòng)化程度更高。長(zhǎng)期應(yīng)用表明，該方法為繼電保護(hù)裝置的整體功能連續(xù)自動(dòng)測(cè)試提供了高效解決方案，具有一定推廣價(jià)值。
